基于单片机的储热式电暖器控制系统设计
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1.3.3 单片机的选择
本次毕业设计选用AT89C51单片机。AT89C51 提供以下标准功能：4k字节Flash闪速存储器，128字节内部RAM，32 个I/O 口线，两个16位定时/计数器，一个5向量两级中断结构，一个全双工串行通信口，片内振荡器及时钟电路。同时，AT89C51可降至0Hz的静态逻辑操作，并支持两种软件可选的节电工作模式。空闲方式停止CPU的工作，但允许RAM，定时/计数器，串行通信口及中断系统继续工作。掉电方式保存RAM中的内容，但振荡器停止工作并禁止其它所有部件工作直到下一个硬件复位。8位AT89C51 CHMOS工艺单片机被设计用于处理高速计算和快速输入/输出。MCS-51单片机典型的应用是高速事件控制系统。商业应用包括调制解调器，电动机控制系统，打印机，影印机，空调控制系统，磁盘驱动器和医疗设备。汽车工业把MCS-51单片机用于发动机控制系统，悬挂系统和反锁制动系统。AT89C51尤其得益于它的处理速度。
1.3.1 温度传感器的选择
温度传感器是指能感受温度并转换成可用输出信号的传感器。温度传感器是温度测量仪表的核心部分，品种繁多。按测量方式可分为接触式和非接触式两大类，按照传感器材料及电子元件特性分为热电阻和热电偶两类。
热电偶是温度测量中最常用的温度传感器。其主要好处是宽温度范围和适应各种大气环境，而且结实，无需供电，也是最便宜的。热电偶由在一端连接的两条不同金属线(金属A和金属B)构成，当热电偶一端受热时，热电偶电路中就有电势差。可用测量的电势差来计算温度。J型和K型热电偶在中高温的测量中都应用广泛，其中J型热电偶又称铁-康铜热电偶，是一种价格低廉的廉金属的热电偶。J型热电偶具有线性度好，热电动势较大，灵敏度较高，稳定性和均匀性较好，价格便宜等优点。铁-康铜热电偶的覆盖测量温区为-200~1200℃，但通常使用的温度范围为0-750℃。既可用于氧化性气氛(使用温度上限750℃)，也可用于还原性气氛(使用温度上限950℃)，并且耐CO等气体腐蚀，多用于炼油及化工。K型热电偶也具有线性度好，热电动势较大，灵敏度高，稳定性和均匀性较好，抗氧化性能强，价格便宜等优点。本方案采用K型镍络-镍硅热电偶，因为它宜在氧化性、惰性气氛中连续使用，长期使用温度1000℃，短期1200℃，而且在所有热电偶中它的使用最为广泛。
图1.1 储能式电暖气工作原理框图
1.2方案的选择
方案1
方案1系统框图如图1.2所示。
此方案主要通过单片机内部软件控制来实现。温度传感器采集温度是通过单片机内部软件来控制继电器的开断，从而控制加热管的加热情况。热电偶对加热管进行测温，将热电偶输出的热电势经放大电路放大后再经过A/D转换，输入到单片机，单片机内部软件程序将其与设定值进行比较，再对继电器的状态进行控制，最终达到题目规定的要求温度。定时电路方面也通过单片机来设定通电时间，控制继电器的开断状态。两个电路部分均可控制继电器的状态，时钟的时间显示和实时温度都显示在LCD液晶显示屏上。
1.3.2 A/D转换元件的选择
模数转换器，是把经过与标准量（或参考量）比较处理后的模拟量转换成以二进制数值表示的离散信号的转换器，简称ADC或 A/D转换器。模数转换器最重要的参数是转换的精度，通常用输出的数字信号的位数的多少表示。转换器能够准确输出的数字信号的位数越多，表示转换器能够分辨输入信号的能力越强，转换器的性能也就越好。A/D转换一般要经过采样、保持、量化及编码4个过程。在实际电路中，有些过程是合并进行的，如采样和保持，量化和编码在转换过程中是同时实现的。
储热式电暖器的基本工作原理是通过温度检测元件对加热管的温度进行测量，并将这个温度经过一系列处理，如信号放大、A/D转换等，再将该信息传递给单片机，以实现单片机对温度的控制作用。在单片机内部会通过软件程序设定一个温度值800℃作为温度上限，输入进来的当前温度会与设定值的温度值进行
比较，从而控制加热系统的操作，使温度最终达到题目的要求。
图1.2 方案1系统框图
方案2
方案2系统框图如图1.3所示。
本系统主要部分为控制电路部分、加热电路部分和测量电路三部分。控制电路是由单片机来处理给定信号和反馈信号，发出相应的指令来控制可控硅，是系统的核心。8051对温度的控制是通过可控硅调节功能电路实现的。在给定的周期T内，8051只要改变可控硅管的接通时间便可改变加热丝的功率，从而达到调节温度的目的。而可控硅的接通时间可以通过可控硅极上触发脉冲控制。该触发脉冲由8051用软件在P1.3引脚上产生，受过零同步脉冲同步后经光耦合管和驱动管输出送到可控硅的控制极上。过零同步脉冲是一种50Hz交流电压过零时刻的脉冲，可使可控硅在交流电压正弦波过零时触发导通。该脉冲一方面作为可控硅的触发同步脉冲加到控制电路中，另一方面还作为计数脉冲加到8051的T0和T1端。加热电路用来实现对系统的升温加热达到预定的温度。根据检测温度是否达到要求，控制电路利用双向可控硅的通断特性来决定加热电路的通电与断电。测量电路功能为将测量到的信号经过处理变成数字信号送入单片机中进行处理，主要由温度检测和变送器组成。单片机内部完成时钟和定时功能，时钟为24小时制，定时是实现从22：00——5：00七个小时的定时功能，最终将温度值和时间值通过显示器显示出来。除上述电路部分，89C51还要连接ADC0808等接口芯片，ADC0808为温度测量电路的输出接口，用于把连续变化的信号进行离散化。
图1.3 方案2系统框图
方案比较
方案2主要由外部电路将温度信号通过变换器和A/D进行处理，再将信号输入给单片机，需要用到可控硅、脉冲产生和PID算法，比较复杂；方案1将功能的实现都由单片机内部的软件程序来完成，节省了外部器件资源，操作简单提高了工作效率。
结论
通过上述方案的比较最终确定选择方案1。
1.3元器件的选择百度文库
Keywords:electric heating of thermal storage type;thermocouple;SCM;proteus
前言1
1 方案的论证
1.1 储热式电暖器的基本工作原理
储热式电暖器的工作原理框图如图1.1所示。
储热式电暖器是利用电力公司提供的夜间低谷电价，以电热管为加热元件，在夜间将电能转化为热能，并储存在储能砖中保存，到了白天再把热能释放出来从而节约了电能。因此储热式电暖器环保高效节能。本系统利用单片机及外围电路构成一个控制系统，其中单片机作为系统的主控制器，通过传感器电路和定时电路来满足题目要求，即在取暖月份里每天定时加热7小时，时间是当日晚22点～次日凌晨5点；电热管加热最高温度为800℃。D当小于700摄氏度开始重新加热。同时将时间和温度通过LCD显示出来。键盘实现时钟时间的调时功能。
本次毕业设计应用ADC0808芯片，它的采样分辨率是8位，它是以逐次逼近原理进行模—数转换的器件，转换时间为100μs，输入模拟电压为单极性的0－5V 。其内部有一个8通道多路开关，它可以根据地址码锁存译码后的信号，只选通8路模拟输入信号中的一个进行A/D转换。它是A/D转换的基本的常用元件，被广泛应用于数据采集及转换中。
这两种型号的热电偶都具有线性度好，热电动势大，灵敏度高等特点，但是基于不同热电偶在应用中的普遍性，J型热电偶通常温度范围在0～+750℃，而且多用于炼油及化工方面。K型镍络-镍硅热电偶可用于﹣200℃～﹢1000℃，且一般应用于采暖装置中，完全可以满足题目和实际需求，因此本系统采用K型镍络-镍硅热电偶。
关键词：储热式电暖器；热电偶；单片机；Proteus
Abstract
This paper introduces the design of the heat storage type electric heater control system, the system consists of several components, including a temperature detection unit, amplifying circuit, A/D conversion circuit, LCD display circuit and a heating unit.Heat storage type electric heater control system function is realized by softwarecontrol chip, its main function is to make the electric heater to open within the specified time, on the other hand is to control the heating temperature of the electric heating pipe, when the temperature exceeded 800 degrees Celsius to stop heating.The temperature sensor is used in thermocouple, thermocouple detecting the temperature of the heating pipe, heating pipe heating control, the process is, the thermocouple temperature measurement in the heating pipe, the thermoelectricpotential thermocouple output is amplified by the amplifying circuit after the A/D conversion, input to the SCM, SCM internal software program will compare it with theset value, then the state of the relay to control, so that the temperature of the heating pipe in the specified temperature range. The timing circuit is to set the power on timeby single chip microcomputer, the breaking state control relay. System uses LCDliquid crystal display time display and real-time temperature display. The graduation design, the design is proved, then the design of the hardware system, and then the software programming and the use of Protues simulation software, simulation of the working status of the electric heating, finally reached the basic requirements of the task book.
基于单片机的储热式电暖器控制系统设计
系部
专业
班级
学号
姓名
指导教师
沈阳航空航天大学
2014年6月
摘
本文主要介绍的是关于储热式电暖器控制系统的设计，该系统由以下几个部分组成,包括温度检测单元，放大电路，A/D转换电路，LCD显示电路和加热单元组成。储热式电暖器控制系统的功能通过单片机内部软件控制来实现，其主要功能是使电暖器在规定时间内开启，单片机内部软件程序将其与设定值进行比较，再对继电器的状态进行控制，使加热管的温度在规定的温度范围内。定时电路方面也通过单片机来设定通电时间，控制继电器的开断状态。系统采用LCD液晶显示屏进行时间显示和实时温度显示。本次毕业设计，首先对方案进行了论证，接着对硬件系统进行了设计，然后又进行软件编程及利用Protues软件进行仿真，模拟电暖气工作状态,最终达到了任务书的基本要求。
本次毕业设计选用AT89C51单片机。AT89C51 提供以下标准功能：4k字节Flash闪速存储器，128字节内部RAM，32 个I/O 口线，两个16位定时/计数器，一个5向量两级中断结构，一个全双工串行通信口，片内振荡器及时钟电路。同时，AT89C51可降至0Hz的静态逻辑操作，并支持两种软件可选的节电工作模式。空闲方式停止CPU的工作，但允许RAM，定时/计数器，串行通信口及中断系统继续工作。掉电方式保存RAM中的内容，但振荡器停止工作并禁止其它所有部件工作直到下一个硬件复位。8位AT89C51 CHMOS工艺单片机被设计用于处理高速计算和快速输入/输出。MCS-51单片机典型的应用是高速事件控制系统。商业应用包括调制解调器，电动机控制系统，打印机，影印机，空调控制系统，磁盘驱动器和医疗设备。汽车工业把MCS-51单片机用于发动机控制系统，悬挂系统和反锁制动系统。AT89C51尤其得益于它的处理速度。
1.3.1 温度传感器的选择
温度传感器是指能感受温度并转换成可用输出信号的传感器。温度传感器是温度测量仪表的核心部分，品种繁多。按测量方式可分为接触式和非接触式两大类，按照传感器材料及电子元件特性分为热电阻和热电偶两类。
热电偶是温度测量中最常用的温度传感器。其主要好处是宽温度范围和适应各种大气环境，而且结实，无需供电，也是最便宜的。热电偶由在一端连接的两条不同金属线(金属A和金属B)构成，当热电偶一端受热时，热电偶电路中就有电势差。可用测量的电势差来计算温度。J型和K型热电偶在中高温的测量中都应用广泛，其中J型热电偶又称铁-康铜热电偶，是一种价格低廉的廉金属的热电偶。J型热电偶具有线性度好，热电动势较大，灵敏度较高，稳定性和均匀性较好，价格便宜等优点。铁-康铜热电偶的覆盖测量温区为-200~1200℃，但通常使用的温度范围为0-750℃。既可用于氧化性气氛(使用温度上限750℃)，也可用于还原性气氛(使用温度上限950℃)，并且耐CO等气体腐蚀，多用于炼油及化工。K型热电偶也具有线性度好，热电动势较大，灵敏度高，稳定性和均匀性较好，抗氧化性能强，价格便宜等优点。本方案采用K型镍络-镍硅热电偶，因为它宜在氧化性、惰性气氛中连续使用，长期使用温度1000℃，短期1200℃，而且在所有热电偶中它的使用最为广泛。
图1.1 储能式电暖气工作原理框图
1.2方案的选择
方案1
方案1系统框图如图1.2所示。
此方案主要通过单片机内部软件控制来实现。温度传感器采集温度是通过单片机内部软件来控制继电器的开断，从而控制加热管的加热情况。热电偶对加热管进行测温，将热电偶输出的热电势经放大电路放大后再经过A/D转换，输入到单片机，单片机内部软件程序将其与设定值进行比较，再对继电器的状态进行控制，最终达到题目规定的要求温度。定时电路方面也通过单片机来设定通电时间，控制继电器的开断状态。两个电路部分均可控制继电器的状态，时钟的时间显示和实时温度都显示在LCD液晶显示屏上。
1.3.2 A/D转换元件的选择
模数转换器，是把经过与标准量（或参考量）比较处理后的模拟量转换成以二进制数值表示的离散信号的转换器，简称ADC或 A/D转换器。模数转换器最重要的参数是转换的精度，通常用输出的数字信号的位数的多少表示。转换器能够准确输出的数字信号的位数越多，表示转换器能够分辨输入信号的能力越强，转换器的性能也就越好。A/D转换一般要经过采样、保持、量化及编码4个过程。在实际电路中，有些过程是合并进行的，如采样和保持，量化和编码在转换过程中是同时实现的。
储热式电暖器的基本工作原理是通过温度检测元件对加热管的温度进行测量，并将这个温度经过一系列处理，如信号放大、A/D转换等，再将该信息传递给单片机，以实现单片机对温度的控制作用。在单片机内部会通过软件程序设定一个温度值800℃作为温度上限，输入进来的当前温度会与设定值的温度值进行
比较，从而控制加热系统的操作，使温度最终达到题目的要求。
图1.2 方案1系统框图
方案2
方案2系统框图如图1.3所示。
本系统主要部分为控制电路部分、加热电路部分和测量电路三部分。控制电路是由单片机来处理给定信号和反馈信号，发出相应的指令来控制可控硅，是系统的核心。8051对温度的控制是通过可控硅调节功能电路实现的。在给定的周期T内，8051只要改变可控硅管的接通时间便可改变加热丝的功率，从而达到调节温度的目的。而可控硅的接通时间可以通过可控硅极上触发脉冲控制。该触发脉冲由8051用软件在P1.3引脚上产生，受过零同步脉冲同步后经光耦合管和驱动管输出送到可控硅的控制极上。过零同步脉冲是一种50Hz交流电压过零时刻的脉冲，可使可控硅在交流电压正弦波过零时触发导通。该脉冲一方面作为可控硅的触发同步脉冲加到控制电路中，另一方面还作为计数脉冲加到8051的T0和T1端。加热电路用来实现对系统的升温加热达到预定的温度。根据检测温度是否达到要求，控制电路利用双向可控硅的通断特性来决定加热电路的通电与断电。测量电路功能为将测量到的信号经过处理变成数字信号送入单片机中进行处理，主要由温度检测和变送器组成。单片机内部完成时钟和定时功能，时钟为24小时制，定时是实现从22：00——5：00七个小时的定时功能，最终将温度值和时间值通过显示器显示出来。除上述电路部分，89C51还要连接ADC0808等接口芯片，ADC0808为温度测量电路的输出接口，用于把连续变化的信号进行离散化。
图1.3 方案2系统框图
方案比较
方案2主要由外部电路将温度信号通过变换器和A/D进行处理，再将信号输入给单片机，需要用到可控硅、脉冲产生和PID算法，比较复杂；方案1将功能的实现都由单片机内部的软件程序来完成，节省了外部器件资源，操作简单提高了工作效率。
结论
通过上述方案的比较最终确定选择方案1。
1.3元器件的选择百度文库
Keywords:electric heating of thermal storage type;thermocouple;SCM;proteus
前言1
1 方案的论证
1.1 储热式电暖器的基本工作原理
储热式电暖器的工作原理框图如图1.1所示。
储热式电暖器是利用电力公司提供的夜间低谷电价，以电热管为加热元件，在夜间将电能转化为热能，并储存在储能砖中保存，到了白天再把热能释放出来从而节约了电能。因此储热式电暖器环保高效节能。本系统利用单片机及外围电路构成一个控制系统，其中单片机作为系统的主控制器，通过传感器电路和定时电路来满足题目要求，即在取暖月份里每天定时加热7小时，时间是当日晚22点～次日凌晨5点；电热管加热最高温度为800℃。D当小于700摄氏度开始重新加热。同时将时间和温度通过LCD显示出来。键盘实现时钟时间的调时功能。
本次毕业设计应用ADC0808芯片，它的采样分辨率是8位，它是以逐次逼近原理进行模—数转换的器件，转换时间为100μs，输入模拟电压为单极性的0－5V 。其内部有一个8通道多路开关，它可以根据地址码锁存译码后的信号，只选通8路模拟输入信号中的一个进行A/D转换。它是A/D转换的基本的常用元件，被广泛应用于数据采集及转换中。
这两种型号的热电偶都具有线性度好，热电动势大，灵敏度高等特点，但是基于不同热电偶在应用中的普遍性，J型热电偶通常温度范围在0～+750℃，而且多用于炼油及化工方面。K型镍络-镍硅热电偶可用于﹣200℃～﹢1000℃，且一般应用于采暖装置中，完全可以满足题目和实际需求，因此本系统采用K型镍络-镍硅热电偶。
关键词：储热式电暖器；热电偶；单片机；Proteus
Abstract
This paper introduces the design of the heat storage type electric heater control system, the system consists of several components, including a temperature detection unit, amplifying circuit, A/D conversion circuit, LCD display circuit and a heating unit.Heat storage type electric heater control system function is realized by softwarecontrol chip, its main function is to make the electric heater to open within the specified time, on the other hand is to control the heating temperature of the electric heating pipe, when the temperature exceeded 800 degrees Celsius to stop heating.The temperature sensor is used in thermocouple, thermocouple detecting the temperature of the heating pipe, heating pipe heating control, the process is, the thermocouple temperature measurement in the heating pipe, the thermoelectricpotential thermocouple output is amplified by the amplifying circuit after the A/D conversion, input to the SCM, SCM internal software program will compare it with theset value, then the state of the relay to control, so that the temperature of the heating pipe in the specified temperature range. The timing circuit is to set the power on timeby single chip microcomputer, the breaking state control relay. System uses LCDliquid crystal display time display and real-time temperature display. The graduation design, the design is proved, then the design of the hardware system, and then the software programming and the use of Protues simulation software, simulation of the working status of the electric heating, finally reached the basic requirements of the task book.
基于单片机的储热式电暖器控制系统设计
系部
专业
班级
学号
姓名
指导教师
沈阳航空航天大学
2014年6月
摘
本文主要介绍的是关于储热式电暖器控制系统的设计，该系统由以下几个部分组成,包括温度检测单元，放大电路，A/D转换电路，LCD显示电路和加热单元组成。储热式电暖器控制系统的功能通过单片机内部软件控制来实现，其主要功能是使电暖器在规定时间内开启，单片机内部软件程序将其与设定值进行比较，再对继电器的状态进行控制，使加热管的温度在规定的温度范围内。定时电路方面也通过单片机来设定通电时间，控制继电器的开断状态。系统采用LCD液晶显示屏进行时间显示和实时温度显示。本次毕业设计，首先对方案进行了论证，接着对硬件系统进行了设计，然后又进行软件编程及利用Protues软件进行仿真，模拟电暖气工作状态,最终达到了任务书的基本要求。